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闲话 3D

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发表于 2023-12-18 23:43:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

3D( 3 Dimensions ),即 3 维,3 次元。何为 3D?具有长、宽、高三个维度。我们人类所处的世界就是 3D 的世界,我们世界的投影则是 2D 的,就像我们的影子。

3D绘画

在过去的岁月里,绘画艺术家们在不断地创作着二次元世界,留下了宝贵的艺术财富供我们欣赏。这些年 3D 街头绘画艺术借助互联网媒介火了起来。光与影,透视与构图技法运用得炉火纯青,再加上断崖、怪兽之类主题所烘托出的氛围,让人观之不寒而栗,对恐高的人来说更甚。不过这些还都是些静态的图画,只不过是从某一视角上看时所产生的错觉罢了。


悬崖健身


骑虎难下


钟塔上的人


纸上的犀牛

随着光影艺术的发展,人们对艺术欣赏的追求已不再局限于静态界面。除非是舞台剧,总不能真人实景地放在电影荧幕前表演吧。如何在二维界面上更逼真地展现三维世界呢?如果仅将思维局限于“表演者”的 3D 呈现,似乎有些犯难了。当转向于“观看者”的时候有了一条道路,事实上这条道路已经走了很久。

双眼视觉

我们的两眼在头部的前侧位分左右。两眼视野有重叠区域,位于鼻侧视野,因此在此范围内的任何物体都能同时被两眼所见。两眼同时看某一物体时产生的视觉称为双眼视觉。我们专注于一个事物的时候习惯把它放在重叠视野区域。话虽如此,但某人用眼睛的侧光去主意另一个人的时候不一定代表不在乎她,这就属于心理学的范畴了。


两眼视觉区域


物体相对位置视觉

双眼视物时,两眼视网膜上各形成一个完整的物像,由于眼外肌的精细协调运动,可使来自物体同一部分的光线成像于两眼视网膜的对称点上,并在主观上产生单一物体的视觉。由于同一物体在两眼视网膜上所成的像并不相同,左眼看到的左侧面较多,而右眼看到的右侧面较多。来自两眼的图像信息经过视觉高级中枢处理后,产生物体的厚度、空间的深度、距离等感觉,便产生立体感。


3D立体影像成像原理

站在人眼的双眼视觉角度来考虑,对于某一时刻的画面,用两张图像分别输入给左眼和右眼,并且这两张图像分别含有左侧信息和右侧信息,那我们不就能感受到立体了吗?如果持续提供在时间维度上的变化,不就是 3D 立体电影嘛。怎样才能做出这样的两幅画面呢?答案自然是模拟人眼,照相机或摄像机一左一右放置两个镜头(晶状体)和两个光学传感器(视网膜)。


松下全高清立体摄像机

多年以前读高中的时候,同学间流传一种小册子,上面密密麻麻看似杂乱无章地印刷了很多图案,一些具备“特殊能力”的人能够看出杂乱图案之外的神奇立体图案,当时看懵了也没看出个所以然。其实这些看似杂乱的图案就是模拟了双眼视觉。下面有些收集自互联网较为容易看的三维立体图片,有兴趣的话可以测一下你是否能看得出立体效果。提示:需要打开你的小宇宙,装备斗鸡眼技能。


Hi,刚才是你在召唤我吗?


一匹马


中国地图


斑点狗


哆啦A梦

除了上面的三维立体图案,还有用 3D 照相机拍出的 3D 立体照片,其实原理也是一样的啦。上大学时苦练斗鸡眼的看图技能,现在已经难不倒我了,咯咯哒(怎么感觉似乎哪里不对 😁 ) 。

没有 3D 相机怎么办?目前已经有手机 APP 解决了这个问题,可以帮你将多次不同视角的拍摄合成为 3D 立体照片,可以下载一款玩玩看。而且现如今已时过境迁,我们已经可以轻松地用 3D 电视、3D 手机、Google Cardboard 等设备观看这些照片了。

累!

不借助于设备就能够看到 3D 效果就是我们常说的裸眼 3D。裸眼看几幅 3D 照片没什么大问题,但看下来一部电影估计就真成不可逆的斗鸡眼了。想像一下放映结束,一大批走出影院的鸡,哦,不,观众…… Orz

确实累!不看也罢。

不如开挂吧!

这些年内地电影市场的发展是大家有目共睹的,好莱坞大片都为之倾倒,加入了不少中国的正面元素,由早期的“损”逐渐向“战斗在同一个阵营”转变。记忆中从《阿凡达》开始,3D 影片便成了城市人生活的家常便饭。3D 电影的原理同样还是双眼视觉,只不过把两块荧幕合成一块,需要我们加装 3D 眼镜这么一个外挂。

为什么看电影的时候有的要交眼镜押金,有的不需要?这是由于两种眼镜的成本不一样。为什么两种眼镜的成本不一样?这是由于他们的原理不一样。

从原理上讲,3D 眼镜主要有互补色、偏振式、时分式三种形式。虽然使用的技术不同,但他们都有共同的目标——使左眼看到左眼该看到的,使右眼看到右眼该看到的。

互补色

我们以前常听说的红绿眼镜、红蓝眼镜就使用了互补色原理。两色互补是指这两种颜色相加为白色或灰色,在色环图看上,一种颜色与 180 度对角上的颜色互补。互补色眼镜的镜片颜色互补,影片用与镜片相对应的互补色分别描述左眼和右眼所看到的画面的差异。蓝色光不能通过红色的镜片,红色的光不能通过蓝色的镜片。

以红蓝眼镜为例,左眼“红色” RGB 的值大约是 0xCE1325(没有找到相关颜色标准,含有少量绿色和蓝色成分),右眼“蓝色” RGB 的值大约是 0x0099DA(实际是青色,位于蓝绿之间)。透过红色镜片看色环,红色可以透过,大部分蓝色和绿色被过滤因而偏红色或成暗色[1]。透过青色镜片看色环,红色不再鲜艳,色彩暗淡[2]。


[1] 透过红色镜片看色环


[2] 透过青色镜片看色环

制作红蓝画面时,将左眼看到而右眼看不到的区域用青色表示,右眼看到而左眼看不到的区域用红色表示。这样由于镜片是红色的,左眼看红色区域时不能分辨出来,如同透明了,看青色区域时,由于被镜片过滤,呈暗色。对于右眼所见亦是同样的道理。


红蓝3D——雄鹰展翅

由于这种技术实现效果易产生色变、重影等缺点,并且双眼所见的色差太大,容易疲劳,这种眼镜已经成为过去时。

偏振式

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。光波是一种电磁波,它的电振动矢量E和磁振动矢量 H 都与传播速度 v 垂直,所以具有偏振性。

偏振片对入射光具有遮蔽和透过的功能,可使透光轴方向振动的光完全通过,而相垂直的光则无法通过。在放映时,两个放映机镜头都装上一个偏振片,两个偏振片的偏振化方向相互垂直,观众戴上用偏振片做成的眼镜,左眼偏振片的偏振化方向与左镜头上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向与右镜头上的偏振化方向相同。这样,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体化的影像了。这就是偏振式眼镜的原理。

由于两只眼睛分别只能看到一种偏振方向上的光,相当于只能感受到荧幕入射光的一半,所以看 3D 电影时会感觉很暗,就是这个道理。

时分式

时分式眼镜常称为主动快门式 3D 眼镜,现在家里用的乐视电视所配的眼镜就是这种形式的,这种眼镜是需要电池供电的。在放映时,左右画面分时播放,画面刷新频率一般至少要达到 120 Hz(左右眼画面刷新频率各为 60 Hz )才能不感觉到闪烁。眼镜通过放映器材的同步信号交替地控制左右镜片上液晶层,使之遮光或通光,就如同用左右手分别遮挡两只眼睛。不难理解,这就达到了我们的目的——左眼看左眼该看的,右眼看右眼该看的。这就是分时式 3D 眼镜的原理。

同样地,由于某一时刻只有一只眼睛能得到光,所以同样存在画面较暗的缺点。并且,由于日光灯也是闪烁的,在家里观看 3D 电视的时候容易出现闪烁的现象。

裸眼 3D

毕竟有个东西挡在眼前碍事并且还不足够真实,我们总幻想着不借助这些工具,直接能像看到真实世界里的事物一样该多好,但到目前为止这还只是科幻世界里才有的技术。不过还好,现实总归是在逼近梦想。早几年前我在深圳机场安检口就看到过裸眼 3D 电视,对电视里播放的撒金币一段印象深刻,仿佛置身其中,似幻似真。

裸眼式 3D 目前有光屏障式、柱状透镜和指向光源等技术实现方式。在这些技术下,最近两年市场上推出了裸眼 3D 手机,裸眼 3D 游戏机等产品,期待有一天可以体验一下他们的效果。


裸眼3D透镜阵列

运用仿生学,对我们放眼看世界的原理更多地了解,更多地运用,期待着一个更为真实的虚拟3D世界之门在不远的将来为我们敞开。最后让我们设想一下,有些双目动物的眼睛长在脑袋两侧,比如马、鸟类等,如果仿照他们的眼睛拍摄出他们的 3D 世界给我们看,先不说我们的脑袋能不能处理得了这样的输入,这会不会有助于我们更多地理解他们的世界呢?

参考资料

  1. 双眼视觉和立体视觉:http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/perceptive/page_3_eye/page_3_2b-16.htm
  2. 3D 眼镜:http://baike.baidu.com/view/2645567.htm

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